Vielschichtbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Abstract

 Es wird ein Vielschichtbauelement vorgeschlagen, umfassend:
- einen keramischen Grundkörper (P)
- mindestens eine im keramischen Grundkörper angeordnete Innenelektrode (2), wobei die Innenelektrode mehrere Löcher (3) aufweist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vielschichtbauelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

[0002] Eine Schlüsselrolle für die Applikation von Vielschichtbauelementen umfassend piezo- und ferroelektrische Aktoren spielt die mechanische Eigensteifigkeit des Bauelements.

[0003] Aus der WO 99/12865 sind piezokeramische Materialien auf der Basis von Bleizirkonat-Titanat bekannt. Dabei wird beim Bleizirkonat-Titanat mit einer Perowskitstruktur A²⁺B⁴⁺O₃ durch partielle Substitution mit ferroelektrisch aktiven Verbindungen eine angestrebte Stabilisierung der Werkstoffe erreicht und gleichzeitig die Verringerung der Sintertemperatur ermöglicht.

[0004] Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Vielschichtbauelement anzugeben, welches bei möglichst geringer Spannung einen hohen Auslenkungsweg erreicht.

[0005] Die Aufgabe wird hinsichtlich eines Vielschichtbauelements und hinsichtlich der Herstellung eines Vielschichtbauelements durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst.

[0006] Es wird ein Vielschichtbauelement vorgeschlagen, welches folgende Merkmale umfasst: einen keramischen Grundkörper und mindestens eine im keramischen Grundkörper angeordnete Innenelektrode, wobei die Innenelektrode mehrere Löcher aufweist.

[0007] Ein solches Vielschichtbauelement hat den Vorteil, dass die Steifigkeit der Innenelektrode entgegen einer queraxialen Kontraktion teilweise oder ganz verringert wird und dadurch während einer axialen Auslenkung des Vielschichtbauelements eine quasi störungsfreie queraxiale Querkontraktion der Innenelektrode möglich ist. Mit der Querkontraktion wird gleichzeitig bei gleicher angelegter Spannung ein höherer axialer Auslenkungsweg des Vielschichtbauelements erreicht.

[0008] Das Vielschichtbauelement kann vorteilhafterweise dichter gesintert werden, da eine mit mehreren Löchern versehene Innenelektrode einen geringeren mechanischen Widerstand gegenüber der Keramik des Grundkörpers stellt, welche während des Sinterns stets zu schrumpfen bestrebt ist. Eine höhere Sinterdichte wird von verbesserten elektrischen Eigenschaften begleitet, und ist somit von Vorteil. Eine höhere Sinterdichte ermöglicht außerdem auch einen höheren Auslenkungsweg. Bei einem Piezoktor kann dies je nach Anwendung von besonderem Vorteil sein.

[0009] Zur Herstellung eines Vielschichtbauelements wird vorgeschlagen, dass keramische Folien bereitgestellt werden, auf die Innenelektrodenmaterial, vorzugsweise in der Form einer Paste, gedruckt wird. Die Folien werden gestapelt, geschnitten oder erst geschnitten und dann gestapelt. Das so erhaltene Vielschichtbauelement wird anschließend gesintert.

[0010] Es wird bevorzugt, als Innenelektrodenmaterial eine Silber-Palladium Mischung zu verwenden, wobei vorzugsweise Silber in einem Gewichtsanteil von zwischen 60 und 80% und Palladium in einem Gewichtsanteil von zwischen 20 und 40% vorhanden ist.

[0011] Aus dieser Mischung wird eine Paste gebildet, welche auf die zu stapelnde keramische Folien gedruckt wird. Das so erhaltene Bauelement wird bei einer Temperatur zwischen 1120 und 1220°C, vorzugsweise bei 1170°C, gesintert, wobei das Innenelektrodenmaterial während des Sintervorgangs gerade ausreichend erweicht, dass sich eine netzförmige Struktur bildet.

[0012] Es wird insbesondere bevorzugt, dass ein Innenelektrodenmaterial verwendet wird, dessen Liquidustemperatur sich derart geringfügig von der Sintertemperatur des keramischen Grundkörpers unterscheidet, dass der keramische Grundkörper gesintert wird und gleichzeitig die Innenelektrode mehrere Löcher bildet. Es ergibt sich der Vorteil, dass kleine Löcher in der Innenelektrodenschicht erzeugt werden können. Dabei fällt die elektromagnetische Feldverteilung der Innenelektrode homogener aus, je kleiner die Löcher der Innenelektrode ausgebildet werden.

[0013] Alternativ kann als Innenelektrodenmaterial Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet werden. Das Material wird in der Form einer Paste mittels Siebdrucken auf die keramische Folien gebracht, wobei ein Sieb verwendet wird, das vorzugsweise zu einem Bedruckungsmuster der Innenelektrode führt, das Löcher bzw. Unterbrechungen mit Durchmessern zwischen 10 und 20 µm aufweist. Nach dem Stapeln der Folien wird das dadurch erhaltene Bauelement bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1100°C, vorzugsweise bei 1050°C, gesintert.

[0014] Im Folgenden wird ein Vielschichtbauelement anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt

Figur 1

einen Vielschichtpiezoaktor mit einer Piezokeramikschicht welche an eine mit Löchern versehenen Innenelektrode angrenzt,

Figur 2

eine vergrößerte Darstellung der mit Löchern versehenen Elektrode,

Figur 3

eine zweidimensionale fotographische Abbildung einer mit Löchern versehenen Innenelektrode,

Figur 4

eine Graphik zur Darstellung einer bevorzugten, optimalen Einstellung eines durch die Löcher erzeugten Unterbrechungsgrades der Innenelektrode, einer auf den Vielschichtpiezoaktor anzulegenden Spannung und eines Auslenkungswegs des Vielschichtpiezoaktors.

[0015] Es wird ein Weg aufgezeigt, wie bei gegebener Bauteilgeometrie und vorgegebenem Keramik- und Innenelektrodenmaterial die Steifigkeit des Vielschichtbauelements aktiv variiert werden kann.

[0016] Es wurde für Testzwecke, beispielsweise auf einem Kraft- oder Auslenkungsmeßplatz, die Steifigkeit von Vielschichtaktoren gemessen. Der sich aus der Messung ergebende integrale Bauteilsteifigkeitswert wurde dabei eins zu eins der Elastizität der Keramik zugeschrieben. In anderen Worten: ein höherer Steifigkeitswert indizierte eine härtere Keramik, je nachdem, ob die Keramik donatordotiert oder akzeptordotiert wurde. Aus dieser Überlegung heraus wurde vor allem über die Zusammensetzung der Keramik (Keramikrezeptur) versucht, den E-Modul des Vielschichtpiezoaktors und somit die Bauteilsteifigkeit einzustellen.

[0017] Allgemein kann aber die Steifigkeit K eines Vielschichtbauelements in einem ersten Schritt über die Formel

abgeschätzt werden, wobei Y das E-Modul, A die Querschnittsfläche und 1 die Länge des Vielschichtbauelements oder des aktiven Grundkörpers des Vielschichtbauelements ist.

[0018] Im Folgenden wird angenommen, dass das Vielschichtbauelement einen Vielschichtpiezoaktor umfasst, wobei andere Vielschichtbauelemente ebenfalls möglich sind, wie beispielsweise Vielschichtkondensatoren oder andere Keramikumfassende Vielschichtbauelemente.

[0019] Die Eigensteifigkeit des in Figur 1 gezeigten Vielschichtpiezoaktors P ist direkt proportional zum E-Modul Y und zur Querschnittsfläche A des Vielschichtpiezoaktors P, jedoch indirekt proportional zur Länge 1 des Vielschichtpiezoaktors ist. Die Querschnittsfläche A und die Länge l sind durch die jeweilige Applikation vorgegeben und somit durch das Anwendungsdesign des Vielschichtpiezoaktors fixiert. Es bleibt daher nur die Variation des E-Moduls Y, um die Bauteilsteifigkeit einzustellen. Dabei handelt es sich um einen integralen E-Modul, welches von dem keramischen Grundkörper bzw. der Anordnung von aufgestapelten Keramikschichten 1 und von der mindestens einen Innenelektrode 2 sowie vom Innenelektrodenverbund mehrerer Innenelektroden 2 abhängig ist. So wird der integrale Bauteil E-Modul Y einerseits durch das Keramikmaterial selbst und andererseits durch das Material und die Geometrie der Innenelektrode 2 bestimmt.

[0020] Es ist eine Eigenschaft piezo/ferroelektrischer Materialien, sich bei anliegender elektrischer Spannung auszulenken. Mit der Auslenkung in eine Raumrichtung, beispielsweise die axiale Richtung (unterer Pfeil), geht eine queraxiale Kontraktion (oberer Pfeil) oder Querkontraktion in den Raumrichtungen normal auf die Auslenkungsrichtung einher. Bei Vielschichtpiezoaktoren mit durchgehenden Innenelektroden stehen dieser Querkontraktion die Innenelektroden als mechanischer Gegenspieler entgegen und reduzieren dadurch im Vergleich zu einem monolithischen Keramikquader ohne Innenelektroden die Querkontraktion und damit auch die Auslenkung des Bauteils.

[0021] Um also die Querkontraktion zu erleichtern werden erfindungsgemäß die Innenelektroden 2 mit Löchern versehen, wobei es aber nicht erforderlich ist, dass die Löcher die Innenelektrode ganz durchbohren- vorzugsweise können sie auch als erhebliche Einbuchtungen realisiert sein.

[0022] Über die beiden Parameter Dicke d der Innenelektroden 2 und des Unterbrechungsgrades 3D, das heißt die Anzahl der Löcher 3 in der Innenelektrode pro Flächeneinheit der Innenelektrode, lassen sich der integrale E-Modul des Vielschichtpiezoaktors und somit seine Steifigkeit bei einer gegebenen Geometrie variieren. Im Profilschliff zeigt sich der Unterbrechungsgrad 3D als elektrodenmaterialfreie Bereiche innerhalb der Innenelektrode. Zur Anpassung der Bauteilsteifigkeit sind also zwei Parameter vorgesehen: die Dicke d der Innenelektrode 2 und der Unterbrechungsgrad 3D der Innenelektrode.

[0023] Dabei wird bevorzugt, dass die Dicke der Innenelektroden so gering wie möglich gehalten wird, da hiermit einerseits geringere Mengen an Elektrodenmaterial verwendet werden müssen und somit geringere Kosten anfallen, und andererseits eine höhere Sinterdichte des Vielschichtbauelements erreicht werden kann. Der Vielschichtpiezoaktor ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Innenelektroden mit einer elektrisch leitenden Kontaktschicht verbunden sind um die elektrische Verbindung an eine Spannungs- und Stromquelle herzustellen.

[0024] Figur 2 veranschaulicht die Struktur einer erfindungsgemäßen Innenelektrode 2. Die weißen Kreise stellen die Löcher 3 dar. Der Unterbrechungsgrad 3D kann folgendermaßen als Formel ausgedrückt werden:

wobei AL die Fläche eines Lochs oder vorzugsweise die durchschnittliche Fläche eines Lochs (in Quadratmeter), N die Anzahl der Löcher und b die Länge einer Seite der Innenelektrode ist. Der Unterbrechungsgrad wird in Prozent angegeben.

[0025] Eine mit Löchern versehene Innenelektrode 2 kann mit einer geeigneten thermischen Prozessführung der maximalen Sintertemperatur in Relation zur Liquidustemperatur des Innenelektrodenmaterials hergestellt werden. Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen der Liquidustemperatur des Innenelektrodenmaterials und der maximalen Sintertemperatur des Vielschichtpiezoaktors eingestellt wird, desto mehr zieht sich die Innenelektrode zusammen, so dass eine durchlöcherte Struktur der Innenelektrode gemäß der Figuren 2 oder 3 während des Sinterns entsteht. Selbstverständlich muss dabei die an sich bekannte Liquidustemperatur des Innenelektrodenmaterials oberhalb der maximalen Sintertemperatur des Vielschichtpiezoaktors liegen, damit die Innenelektrode gerade erweicht, wenn die maximale Sintertemperatur erreicht ist.

[0026] Zur Herstellung eines elektrischen Bauelements mit einer mit Löchern versehenen Innenelektrode 2 werden Folien bereitgestellt, die keramisches Material mit piezoelektrischen Eigenschaften, beispielsweise Bleizirkonat-Titanat, enthalten. Es ist jedoch auch piezoelektrisch aktives keramisches Material einsetzbar, das eine andere Zusammensetzung aufweist, wie zum Beispiel eine Mischung aus Bleizirkonat-Titanat und Blei-Nickelniobat sowie ein Material, das kein Blei enthält, wie zum Beispiel Natrium-Kaliumniobat.

[0027] Die Folien werden zur Herstellung der Innenelektroden mittels eines Siebdruckverfahrens mit einer Paste bedruckt, die ein Gemisch aus Silber und Palladium in einem Verhältnis von vorzugsweise zwischen 60 und 95 Gew.-% Silber und 5 bis 40 Gew.-% Palladium enthält. Insbesondere führt ein Verhältnis von 70 zu 30 Gewichtsanteilen der jeweiligen Materialien zu besonders guten Ergebnissen. Anhand einer Änderung dieser Gewichtsanteile ist eine Anpassung der für die Herstellung des elektrischen Bauelements erforderlichen Prozesstemperatur möglich, um bei unterschiedlichen keramischen Materialien mit unterschiedlichen Sintertemperaturen die netzförmige Struktur der Innenelektrode 2 zu formen, einzustellen und gleichzeitig eine ausreichende Sinterverdichtung der Keramik zu erreichen.

[0028] Gemäß einer Ausführungsform enthält eine zum Siebdrucken auf die Keramikfolien bereitgestellte Paste Kupfer oder eine Kupferlegierung. Das Sieb ist derart mit einem Film beschichtet, dass ein Bedruckungsmuster entsteht, bei dem die Kupferschicht mit kreisförmigen Unterbrechungen bzw. Löchern mit jeweils etwa 10 bis 20 µm Durchmesser versehen wird.

[0029] Die mit der Silber-Palladiumpaste oder mit der Kupfer- oder der Kupferlegierungspaste bedruckten Folien werden in der Weise gestapelt und miteinander verpresst, dass ein der Funktion des elektrischen Bauelements entsprechender Stapel entsteht.

[0030] Nach dem Ausbrand des in der Folie und in der Metallpaste enthaltenen organischen Bindemittels wird das Bauelement, das die genannten Mischung auch Silber und Palladium als Innenelektrode enthält, auf eine Temperatur von 1170° erwärmt und bei dieser Temperatur zwei Stunden lang gehalten. Diese Temperatur liegt unter der mischungsverhältnisabhängigen Liquidustemperatur der Silber-Palladium Mischung, die für ein Mischungsverhältnis von 70 % Silber und 30 % Palladium bei 1228°C liegt. Dabei wird die Keramik gesintert, wobei sich in der Innenelektrode sich die erwünschte Netzstruktur ausbildet.

[0031] Das Bauelement, das Kupfer oder die Kupferlegierung als Innenelektrode enthält, wird nach dem Ausbrand des organischen Bindemittels auf 1050°C erwärmt und bei dieser Temperatur zwei Stunden lang gehalten und währenddessen gesintert. Die netzförmige Struktur der Kupferelektrode erfolgt durch die Art der Bedruckung mit einem geeigneten Sieb.

[0032] Figur 3 zeigt ein REM-Bild einer durch die thermische Prozessführung netzförmig ausgebildete Innenelektrode.

[0033] Die beim Sintern zu erwartende Anzahl der Löcher 3 und deren aufsummierte Fläche kann durch Erfahrungswerte aus Testergebnissen ermittelt werden, wobei die Bildung der Löcher von der Temperatur und dem Druck beim Sintern sowie vom Material der Innenelektrode beeinflusst wird.

[0034] Figur 4 zeigt qualitativ eine Kurve K, welche die Änderung der Steifigkeit der Innenelektrode in Abhängigkeit des Unterbrechungsgrades UG darstellt. Kurve V zeigt Spannungen, die auf den Vielschichtpiezoaktor angelegt werden, um einen bestimmten Auslenkungsweg L des Vielschichtpiezoaktors zu erreichen. Die Kurve L zeigt unterschiedliche Auslenkungswege, welche mit einer konstanten Spannung erreicht werden. Die Form der Kurven L und V ist zudem vom Unterbrechungsgrad der Innenelektrode bzw. von ihrer Steifigkeit K abhängig. Da die Kurven V, K und L alle unterschiedliche physikalische Größen betreffen, ist die linke Achse der Grafik ohne kennzeichnende Einheit angegeben. Es wird insbesondere bevorzugt, dass die Innenelektrode einen Unterbrechungsgrad innerhalb des in der Figur 4 angegebenen optimalen Bereichs OB aufweist, da hier der tiefste Punkt der Kurve V, also eine niedrige Spannung, den höchsten Punkt der Kurve L, also einen hohen Auslenkungsweg, entspricht. Es hat sich ergeben, dass ein Unterbrechungsgrad UG von ca. 30% (qualitativ auf der untersten horizontalen Achse mit einem x markiert) geeignet ist, um einen maximalen Auslenkungsweg von 40 µm des Vielschichtpiezoaktors bei einer minimalen Spannung von 145 V zu erreichen.

[0035] Es wird bevorzugt, dass die Durchmesser der kreisförmigen Löcher der Innenelektrode bei 10µm bis 15µm liegen und/oder die Flächen von nichtkreisförmigen Löchern bei ca. 50 bis 90 µm² liegen. Diese relativ geringen Größen verhindern, dass sich an den Löchern unerwünschte und störende elektrische Felder bilden. Mit dieser Maßnahme kann das elektrische Feld über der gesamten Innenelektrode als homogen betrachtet werden. Für derart kleine Löcher ist es daher vorteilhaft, die Löcher während des Sinterns nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens auszubilden, da per Siebdruckverfahren derart kleine Löcher schwer zu realisieren sind.

[0036] Die Sinterdichte des keramischen Grundkörpers, bzw. dessen Dielektrikums- oder Keramikschichten hängt mit der geometrischen Struktur der Innenelektrode zusammen. Sind die Innenelektroden durchgängig, stellen diese einen größeren Widerstand gegenüber dem Bestreben des keramischen Grundkörpers während des Sinterns zu schrumpfen entgegen. Mit Löchern versehene Innenelektroden erlauben in Gegensatz dazu die Herstellung von Vielschichtbauelementen mit tendenziell höheren Sinterdichten, da die Innenelektroden einen geringeren Widerstand gegenüber dem Schrumpfen des keramischen Grundkörpers entgegenstellen. Höhere Sinterdichten haben den Vorteil, dass ein größeres Kornwachstum begleitet von Poreneliminierung, bzw. Reduzierung freier Kornoberflächen des keramischen Materials ermöglicht wird, wobei im Allgemeinen eine Verringerung der Oberflächen- und Korngrenzenenergie angestrebt wird, die zu einer Erniedrigung der gesamten freien Enthalpie des Sinterkörpers führt. Die elektrischen Eigenschaften des gesinterten Vielschichtpiezoaktors werden somit verbessert, da beispielsweise eine homogenere elektromagnetische Feldverteilung und ein einfacheres und voraussehbares Auslenkungsverhalten des Vielschichtpiezoaktors gewährleistet wird. Eine höhere Sinterdichte ist daher auch nicht nur für Vielschichtpiezoaktoren, sondern beispielsweise auch für Vielschichtkondensatoren, von besonderem Interesse.

Bezugszeichenliste

[0037] 

1

keramische Schicht

2

Innenelektrode

3

Loch einer Innenelektrode

A

Querschnittsfläche eines Piezoaktors

l

Länge des Piezoaktors

b

Länge einer Seite einer Innenelektrode

P

Piezoaktor

Ansprüche

1. Vielschichtbauelement (P), umfassend:

- einen keramischen Grundkörper,

- mindestens eine im keramischen Grundkörper angeordnete Innenelektrode (2), wobei die Innenelektrode mehrere Löcher (3) aufweist.

2. Vielschichtbauelement (P) nach Anspruch 1, bei dem die Innenelektrode (2) mit einer Querkontraktion des Vielschichtbauelements dehnbar ist.

3. Vielschichtbauelement nach einem der Anspruch 1 oder 2, bei dem das Vielschichtbauelement (P) ein Vielschichtpiezoaktor ist.

4. Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der keramische Grundkörper mehrere Innenelektroden (2) aufweist.

5. Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Innenelektrode (2) eine Silber-Palladium Mischung enthält, wobei Silber in einem Gewichtsanteil von 60 bis 95% und Palladium in einem Gewichtsanteil von 5 bis 40% vorhanden ist.

6. Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Innenelektrode (2) Kupfer oder eine Kupferlegierung enthält.

7. Vielschichtbauelement nach Anspruch 6, bei dem die Löcher (3) Durchmesser zwischen 10 und 20 µm aufweisen.

8. Vielschichtbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Innenelektrode (2) ein Material aufweist, dessen Liquidustemperatur sich derart geringfügig von der Sintertemperatur des keramischen Grundkörpers (P) unterscheidet, dass gleichzeitig der keramische Grundkörper sinterbar und die Bildung von Löchern in der Innenelektrode erreichbar ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Vielschichtbauelements (P) mit einer Innenelektrode (2) und einem keramischen Grundkörper, bei dem Innenelektrodenmaterial mittels Siebdrucken auf eine keramischen Folie (1) gebracht wird, wobei ein Sieb verwendet wird, welches eine mit Löchern (3) versehene Innenelektrode erzeugt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem als Innenelektrodenmaterial Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet wird und das Vielschichtbauelement (P) bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1100°C gesintert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Löcher (3) Durchmesser zwischen 10 und 20 µm aufweisen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem als Vielschichtbauelement (P) ein Vielschichtpiezoaktor gebildet wird.

Zeichnung